单元体幕墙工程设计说明

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一、工程概况北京富凯大厦位于北京西二环内侧金融街B5地块，建筑标高７９．７米，建筑面积约１２万平方米，由中国建筑设计研究院（原建设部设计院）建筑大师崔凯主持设计。

该建筑外装修部分全部是玻璃幕墙和铝单板幕墙，面积约３．６万平方米。

幕墙主要由玻璃铝板组合单元体幕墙（单元体板块：宽４．５米×高３．６米）、隐框全玻璃单元体幕墙（单元体板块：宽１．８米×高３．６米）和铝板单元体幕墙（单元体板块：宽１．５米×高３．６米）组成。

其中玻璃铝板组合单元体幕墙，单元板块６８０个，约１１０００多平方米，单元体板块全部采用铝合金龙骨，面板为３ｍｍ铝单板和８＋１２Ａ＋８全钢化中空镀膜ｌｏｗ－ｅ玻璃，加工组装完成后，重量约为７００多公斤，是整个幕墙工程的重点和难点。

北京富凯大厦幕墙工程自２００２年３月开始进行幕墙设计，经过８个月的施工，现已竣工验收，成为北京金融街上最耀眼的标志性建筑之一。

二、设计荷载１、幕墙最大风荷载：１．３６ＫＮ／ｍ２（Ｃ类地区）组合单元体自重荷载：０．４５ＫＮ／ｍ２２、抗震设防烈度：８度３、年温度变化温差：８０℃幕墙设计时考虑幕墙自重、风荷载、地震作用和温度作用，取最不利荷载组合进行设计。

三、主要幕墙材料１、铝型材龙骨采用６０６３－Ｔ５和６０６３Ａ－Ｔ５铝合金型材，型材精度等级为高精级，型材表面氟碳喷涂处理，涂膜厚度不小于４５μｍ，主要受力型材受力部分的壁厚不小于３ｍｍ。

２、玻璃面板为中空玻璃：８ｍｍ钢化镀膜玻璃＋１２ｍｍ氩气层＋８ｍｍ钢化白玻璃。

３、铝板面板３ｍｍ厚铝单板，表面氟碳喷涂处理，涂膜厚度不小于４５μｍ。

为保证铝板强度和挠度，铝板后种植螺钉杆固定连接“Ｕ”型槽铝，做平行加强筋或十字加强筋。

４、密封胶条采用三元乙丙胶条。

５、密封胶采用美国ＧＥ公司产的ＳＳＧ４４００硅酮结构密封胶和ＳＣＳ２０００硅酮耐候密封胶。

四、幕墙构造特点因玻璃铝板组合单元体单位面积最大，难度最高，本文只对玻璃铝板组合单元体做简要介绍。

玻璃铝板组合单元体一个板块面积就１６．２ｍ２，是目前所知最大的单元板块；单元板块中部环绕所有玻璃面板设计有沟槽和不锈钢色装饰条；四块单元体相交处，设计有彩色星状点灯；每块玻璃面板四边均镶有铝合金条，增加了幕墙制作的精细和巧妙。

所有这些设计都是前所未有的，增加了幕墙设计的难度（见附图一）。

同时，为了保证单元体幕墙的物理性能和实现单元体面板的可拆换性，我们采取了如下措施：１、因单元体板块较大，为改善单元板块受力状况，单元体与结构的挂接部位选在板块中部的两根竖梃龙骨上，单元板块左右两端悬臂和相邻板块插接。

型材采用６０６３Ａ－Ｔ５（抗弯强度设计值ｆｂ＝１２４．４Ｎ／ｍｍ２，抗剪强度设计值ｆｓ＝７２．２Ｎ／ｍｍ２，局部承压强度设计值ｆｂｒ＝１７５Ｎ／ｍｍ２）。

①竖梃校核：水平方向按风荷载和地震荷载最不利组合：荷载设计值ｑ＝ｑｗ＋０．６ｑｅ＝２．１８ＫＮ／ｍ２荷载标准值ｑｋ＝ｑｗｋ＋０．６ｑｅｋ＝１．５８ＫＮ／ｍ２按简支梁模型计算：设计值线荷载Ｑ＝ｑ×ｂ＝４．９１ＫＮ／ｍ标准值线荷载Ｑｋ＝ｑｋ×ｂ＝３．５５ＫＮ／ｍ最大弯矩Ｍ＝＝７．９５ＫＮ·ｍ已知：自重荷载Ｎ＝＝４．３７ＫＮ，型材截面积Ａ０＝２８７５ｍｍ２，型材惯性矩Ｉ＝７７８３６４７ｍｍ４，型材抗弯矩Ｗ＝９４３４７ｍｍ３则：最大应力σ＝＋＝８１．８Ｎ／ｍｍ２＜１２４．４Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大挠度ｆ＝＝１４ｍｍ＜２０ｍｍ１４ｍｍ＜＝２０ｍｍ，挠度满足要求。

（其他龙骨校核略）②玻璃校核：最大玻璃规格为Ｂ×Ｈ＝２６００ｍｍ×１７００ｍｍ查表得ψ＝０．０８０４，玻璃等效厚度ｔ＝１．２×８＝９．６ｍｍ，玻璃短边边长ａ＝１７００ｍｍ玻璃强度σ＝＝３３Ｎ／ｍｍ２≤ｆｇ＝８４．０Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

２、板块内部龙骨间的连接采用４．５ｍｍ厚“Ｕ”型插芯和Ｍ６不锈钢螺钉连接；单元体上下横梁型材上设计Φ５．５的螺丝孔，左右单元立柱型材采用超长不锈钢自攻钉与横梁型材连接。

这些措施避免了单元体在运输、吊挂过程中可能产生的变形。

（见附图二）３、单元体间插接型材部位设计有多道三元乙丙胶条，并通过单元体间的插接构成等压腔和减压腔。

单元体上的胶条环行封闭，将大部分雨水阻挡在室外，等压腔将减弱雨水进入室内的动力（压力），并将已进入到等压腔中的少量雨水及时排到室外。

单元体的排水系统分横缝排水和竖缝排水两种，本工程单元体为横滑式，采用横缝层层排水系统。

在水平相邻单元体上横梁间打胶密封并用接水槽穿接连通；单元竖缝和横缝相交处设水平向披水胶条，阻断单元竖缝雨水进入下层单元，而将雨水通过披水胶条引到室外。

进入竖缝等压腔的少量雨水通过接水槽分别导入相邻两侧的单元体上横梁等压腔中，通过横梁排水系统排到室外。

单元体上横梁上设计有泄水孔和进气孔，保证雨水层层排出。

（见附图三）４、由于单元体的安装是有顺序的，单元体难以拆换，所以单元体面板因破损、色差等原因需要拆换时非常困难。

为了解决这个问题，我们设计了带副框的铝板面板和玻璃面板，通过螺钉在室内侧固定，从而实现了在室内拆换单元体的面板，改变了以往在现场打结构胶换面板的情况。

（见附图三）５、单元体板块在工厂制作，加工质量和精度都相对较高，所以安装工艺对单元体板块和现场结构的挂接系统要求较高。

单元体挂接系统要保证单元体能够三向六自由度的调节，同时还要有可靠的安全度。

因为玻璃铝板组合大单元体的自重和所受荷载面积都较大，所以我们设计了钢质挂接系统。

单元体通过钢挂件挂在Ｍ２０不锈钢螺杆上，螺杆穿在与埋件焊在一起的“Ｕ”型钢件上。

单元体通过钢挂件和“Ｕ”型钢件上的长圆孔实现相对于结构梁的进出水平调节，通过螺杆实现侧向水平调节，钢挂件上设计有螺纹孔，通过螺钉实现单元体在竖直方向的微小调节。

（见附图四）①钢挂件校核：钢挂件１０ｍｍ厚，主要受重力作用和风荷载、地震荷载产生的水平作用，如右图所示：（动力系数１．３）已知Ｆ＝Ｆ’＝×１．３＝１１．５ＫＮＰ＝Ｐ’＝×１．３＝２．８４ＫＮ水平向最薄弱处校核：最大弯矩Ｍ１＝１１．５×２８／１０００＝０．３２ＫＮ·ｍ最大应力σ１＝＝＝１７８．６Ｎ／ｍｍ２＜２１５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大应力τ１＝１．５×＝１．５×＝５３．９Ｎ／ｍｍ２＜１２５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

竖直向最薄弱处校核：最大弯矩Ｍ２＝２．８４×７６／１０００＝０．２２ＫＮ·ｍ最大应力σ２＝＋＝＋＝５４Ｎ／ｍｍ２＜２１５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大应力τ２＝１．５×＝１．５×＝７．１Ｎ／ｍｍ２＜１２５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

②Ｍ２４不锈钢螺杆校核：Ｍ２４螺杆主要受重力作用和风荷载、地震荷载产生的水平作用，Ｎ为两个方向的合力，按两端固定梁考虑，如右图所示：Ｎ＝＝１１．８５ＫＮ最大弯矩Ｍ＝＝＝０．１９５ＫＮ·ｍ最大应力σ＝＝＝１３６．９Ｎ／ｍｍ２＜３２０Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大应力τ＝×＝×＝３４．９Ｎ／ｍｍ２＜２４５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大挠度ｆ＝×（３－４×）＝× ３－４× ＝０．５ｍｍ＜挠度满足要求。

五、安装工艺本工程的安装难点是：单元体板块大、作业平面复杂、单元体种类多。

传统的单元体安装方式一般是先将单元体板块吊到指定楼层，再从楼层将单元体板块推出，进行安装调节。

本工程由于单元体板块面积大，重量大，在吊装时难以翻传，所以传统做法难以操作。

我们通过比较、研究确定了玻璃铝板组合单元体的吊装方案：１、安装机械轨道根据建筑平面的形状，在１９层平面沿四周女儿墙分区布置六段单元体吊装机械轨道。

机械轨道分轨道和支架两部分，全部由１２０ａ工字钢和Ｉ１６工字钢拼装而成，轨道为Ｉ２０ａ工字钢，支架为Ｉ１６工字钢，轨道和支架挑出女儿墙１米，各支架水平间距３米。

支架前支点固定在女儿墙上，后支点有两种固定方式：一种为有顶层楼板，支架后支点固定在拼装立柱上，拼装立柱顶在底层和顶层楼板之间；一种为无顶层楼板，支架后支点处压配重。

工字钢轨道梁上悬挂载重１．５吨的小车式电动葫芦。

电动葫芦既可沿轨道做直线或曲线往复运动，也可在垂直向做上下起吊运动。

简单校核：支架前端最大悬臂按１．５米计算，最大起吊载重按１２千牛计算，轨道梁选Ｉ１６工字钢，支架梁选Ｉ２０ａ工字钢，则①轨道（Ｉ１６）按简支梁模型验算，最不利受力情况如下图：最大弯矩Ｍ＝＝＝９ＫＮ·ｍ最大应力σ＝＝＝６０．８Ｎ／ｍｍ２＜２１５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大应力τ＝＝＝７．２Ｎ／ｍｍ２＜１２５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大挠度ｆ＝＝＝２．９ｍｍ＜，挠度满足要求。

②支架（Ｉ２０ａ）按悬臂梁模型验算，最不利受力情况如下图：最大弯矩Ｍ＝Ｐ·Ｌ＝１２×１．５＝１８ＫＮ·ｍ最大应力σ＝＝＝７２．２Ｎ／ｍｍ２＜２１５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大应力τ＝＝＝１０．０Ｎ／ｍｍ２＜１２５Ｎ／ｍｍ２，强度满足要求。

最大挠度ｆ＝＝＝２．８ｍｍ＜，挠度满足要求。

２、板块垂直起重运输为防止单元体板块在起吊过程中受力不均产生大的变形，将单元体板块通过两点竖直悬挂在４．５米长的水平钢梁两端，电动葫芦将水平钢梁起重吊起。

为防止起吊过程中板块振荡和翻转，损坏已安装的单元体板块，地面人员通过固定在单元板块上的绳索，控制板块的振荡和翻转。

将板块吊到指定标高后，电动葫芦做水平运动将板块吊到安装位置。

３、板块安装调节板块到达安装位置后，挂在已安装好的承重２吨的倒链钩上，利用倒链的微调，将单元体调到准确位置，上端挂在钢支座上，下端插在下面单元体的上横梁上。

利用捆扎带将单元体板块水平微调到和相邻单元体插接的位置后，拆下单元体上的吊钩。

最后通过钢支座上的螺钉将单元体板块精调到位，并固定。

六、三性实验结果本工程玻璃铝板组合单元体的雨水渗漏性能、空气渗透性能和风压变形性能等三项幕墙物理性能测试，在中国建筑科学研究院国家建筑工程质量监督检验中心动风压实验室进行，检验结论为：空气渗透性：开启部分属国标ＧＢ／Ｔ１５２２５－９４第Ⅰ级固定部分属国标ＧＢ／Ｔ１５２２５－９４第Ⅰ级雨水渗漏性：开启部分属国标ＧＢ／Ｔ１５２２５－９４第Ⅰ级固定部分属国标ＧＢ／Ｔ１５２２５－９４第Ⅲ级风压变形性：属国标ＧＢ／Ｔ１５２２５－９４第Ⅲ级按照《玻璃幕墙工程技术规范》玻璃幕墙在风荷载标准值除以阵风系数的风荷载作用下不应发生雨水渗漏，开启部分的雨水渗漏压力应大于２５０Ｐａ；玻璃幕墙的空气渗透性能在１０Ｐａ的内外压力差下，其固定部分的空气渗透量不应大于０．１０ｍ３，开启部分的空气渗透量不应大于２．５ｍ３／ｍ·ｈ。